餐厨垃圾和菌糠的半连续中温...性能、微生物和宏基因组分析_章爽.pdf

餐厨垃圾和菌糠的半连续中温-高温两相厌氧共消化：产甲烷性能、微生物和宏基因组分析章爽1，马欣欣3，孙海曙1，谢栋1，赵盼1，汪群慧1，2，吴川福1，2，高明1，2（1.北京科技大学 能源与环境工程学院，北京100083；2.北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京100083；3.清华大学 环境学院，北京100084）译者：章爽；审查：汪群慧；单位：北京科技大学论文来源：Bioresource Technology.2022，360,127518.Semi-continuous mesophilic-thermophilic two-phase anaerobicco-digestion of food waste and spent mushroom substance:Methanogenic performance,microbial,and metagenomic analysis.https:/doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127518【关键词】厌氧发酵；乙醇生产；基因丰度；丙酮酸代谢；甲烷代谢1研究亮点*产乙醇-产甲烷系统将共消化的平均甲烷产量提高了 1.912.43 倍；*产乙醇-产甲烷系统中水解产酸菌和产甲烷菌得到富集，该系统中与底物代谢相关的关键基因丰度更高；*有利于乙酸和乙酰辅酶 A 生成的代谢途径得到促进；*通过生成乙酸、甲酸和 CO2/H2来提高甲烷的产量。2背景餐厨垃圾与菌糠在高温条件下共消化可以在一定程度上减轻氨和酸的抑制，缓解餐厨垃圾作为单一底物时系统不稳定的问题。但菌糠用作厌氧消化的共基质通常存在水解速度慢和产甲烷效率低的问题。前期研究中发现，构建中温乙醇型发酵系统有利于提高厌氧消化的产甲烷效率。但乙醇型发酵对高温厌氧消化的影响尚不清楚，对产甲烷代谢机制的影响更未见报道。因此，本研究构建了产乙醇-产甲烷（中温-高温）两相半连续系统，拟揭示乙醇型高温共消化系统的潜在机制。3研究方法构建两个半连续（进出料 1 次/d）中温（37.0）-高温（50.0）两相厌氧消化系统，即产乙醇-产甲烷系统和传统产酸-产甲烷系统。产乙醇-产甲烷系统的产乙醇相的进料中餐厨垃圾和菌糠的 VS 比为 73，酵母的添加质量是餐厨垃圾干质量的 2.5%。产酸-产甲烷系统的产酸相中不添加酵母以作为对照。实验逐步提高进料负荷，共持续 90 d。通过扩增子和宏基因组测序分析微生物群落结构和甲烷代谢途径。4主要研究结果产乙醇-产甲烷系统提高了水解酸化相中乙醇和乙酸的含量，OLR=3.04.0 g/（Ld）时的平均甲烷产率比产酸-产甲烷系统高出 1.912.43 倍。微生物群落和宏基因组分析表明，产乙醇-产甲烷系统富集了水解产酸菌和产甲烷菌（Methanoculleus）。与产酸-产甲烷系统相比，产乙醇-产甲烷系统中碳水化合物、蛋白质和丙酮酸代谢相关的关键基因丰度更高，通过提高甲烷代谢相关酶编码基因的丰度，促进了乙酸和CO2/H2的降解，从而增强了产甲烷代谢途径。5结论与展望本研究发现产乙醇-产甲烷两相系统有效地提高了餐厨垃圾和菌糠嗜热共消化的总体性能，包括产乙醇相水解酸化产物乙醇和乙酸的浓度、甲烷产率和体系稳定性，对餐厨垃圾和菌糠的资源化利用具有重要意义。该工作揭示了乙醇型发酵影响中温-高温两相反应器工艺性能的潜在机制，为进一步研究和潜在的工业应用提供了科学依据。第 31 卷第 2 期2023年4月环境卫生工程Environmental Sanitation EngineeringVol.31 No.2Apr.2023